Pooljuhtide eelised

Pooljuhid on ained, mille elektrijuhtivus jääb heade juhtide ja isolaatorite vahele. Pooljuhte, ilma igasuguse lisandita, nimetatakse sisemisteks pooljuhtideks. Germaanium ja räni on kõige sagedamini kasutatavad sisemised pooljuhid. Nii Ge (aatomnumber 32) kui ka räni (aatomnumber 14) kuuluvad perioodilisustabeli neljandasse rühma ja need on neljavalentsed.

Absoluutse nullilähedase temperatuuri korral käituvad puhtad Ge ja Si ideaalsete isolaatoritena. Kuid nende juhtivus suureneb temperatuuri tõustes. Ge puhul on kovalentse sideme elektroni sidumisenergia 0,7 eV. Kui see energia tarnitakse soojuse kujul, siis osa sidemeid puruneb ja elektronid vabastatakse.

Tavalistel temperatuuridel on osa elektronidest vabastatud Ge või Si kristalli aatomitest ja nad ekslevad kristallis. Elektroni puudumine varem hõivatud kohas tähendab selles kohas positiivset laengut. Väidetavalt tekib sinna kohta, kus elektron vabastatakse, “auk”. (Vaba) auk on samaväärne positiivse laenguga ja sellel on kalduvus elektroni aktsepteerida.

Kui elektron hüppab auku, tekib selles kohas, kus elektron varem viibis, uus auk. Elektronide liikumine ühes suunas on samaväärne aukude liikumisega vastupidises suunas. Seega toodetakse sisemistes pooljuhtides auke ja elektrone samaaegselt ning mõlemad toimivad laengukandjatena.

Väliseid pooljuhte on kahte tüüpi: n-tüüpi ja p-tüüpi.

n-tüüpi pooljuht: Sellised elemendid nagu arseen (As), antimon (Sb) ja fosfor (P) on viisevalentsed, Ge ja Si aga neljavalentsed. Kui Ge või Si kristallile lisandina lisatakse väike kogus antimoni, siis moodustavad selle viiest valentsest elektronist neli kovalentseid sidemeid naaber ge Ge aatomitega. Kuid antimoni viies elektron muutub kristallis peaaegu vabalt liikuma.

Kui legeeritud Ge-kristallile rakendatakse potentsiaalset pinget, liiguvad legeeritud Ge-s olevad vabad elektronid positiivse klemmi suunas ja juhtivus suureneb. Kuna negatiivselt laetud vabad elektronid suurendavad legeeritud Ge-kristallide juhtivust, nimetatakse seda n-tüüpi pooljuhiks.

p-tüüpi pooljuht: Kui kolmevalentne lisand nagu indium, alumiinium või boor (millel on kolm valentselektroni) lisatakse a väga väike osa neljavalentsest Ge või Si-st, siis moodustub kolme Ge-aatomiga kolm kovalentset sidet. Kuid Ge neljas valentselektron ei saa indiumiga kovalentset sidet luua, kuna paaristamiseks ei jää elektroni.

Elektroni puudumist või defitsiiti nimetatakse aukuks. Igat auku peetakse selles punktis positiivse laengu piirkonnaks. Kuna indiumiga legeeritud Ge juhtivus tuleneb aukudest, nimetatakse seda p-tüüpi pooljuhiks.

Seega on n-tüüp ja p-tüüp kahte tüüpi pooljuhte ja nende kasutamist selgitatakse järgmiselt: pooljuht ja n-tüüpi pooljuht on omavahel ühendatud ja ühist liidest nimetatakse p-n ristmikuks diood.

Elektrooniliste vooluahelate alaldina kasutatakse p-n ühendusdioodi. Transistor on kolme otsaga pooljuhtseade, mis on valmistatud õhukese n-tüüpi materjali viilu kaks suuremat tükki p-tüüpi materjali või õhuke p-tüüpi pooljuhi viil kahe suurema n-tüüpi tüki vahel pooljuht. Seega on transistore kahte tüüpi: p-n-p ja n-p-n. Elektrooniliste vooluahelate võimendina kasutatakse transistorit.

Pooljuhtdioodi ja vaakumi võrdlus annaks elujõulisema ülevaate pooljuhtide eelistest.

• Erinevalt vaakumdioodidest pole pooljuhtseadmetes hõõgniite. Seega pole pooljuhis elektronide eraldamiseks vaja kuumutamist.
• Pooljuhtseadmeid saab kasutada kohe pärast vooluahela seadme sisselülitamist.
• Erinevalt vaakumdioodidest ei tekita pooljuhid töö ajal müristavat heli.
• Vaakumtorudega võrreldes vajavad pooljuhtseadmed alati madalat tööpinget.
• Kuna pooljuhid on väikese suurusega, on ka neid hõlmavad ahelad väga kompaktsed.
• Erinevalt vaakumtorudest on pooljuhid põrutuskindlad. Pealegi on need väiksemad ja hõivavad vähem ruumi ning tarbivad vähem energiat.
• Vaakumtorudega võrreldes on pooljuhid ülitundlikud temperatuuri ja kiirguse suhtes.
• Pooljuhid on vaakumdioodidest odavamad ja nende säilivusaeg on piiramatu.
• Pooljuhtseadmed ei vaja tööks vaakumit.

Kokkuvõtteks võib öelda, et pooljuhtseadmete eelised kaaluvad üles vaakumtorude eelised. Pooljuhtmaterjalide tulekuga sai võimalikuks välja töötada keerukamaid, vastupidavamaid ja ühilduvamaid väikesi elektroonikaseadmeid.

Kõige tavalisem pooljuhtseade on transistor, mida kasutatakse loogikaväravate ja digitaalahelate valmistamiseks. Pooljuhtseadmete rakendused laienevad ka analoogahelatele, mida kasutatakse ostsillaatorites ja võimendites.

Pooljuhtseadmeid kasutatakse ka integreeritud vooluahelates, mis töötavad väga kõrge pinge ja vooluga. Pooljuhtseadmete rakendusi nähakse ka igapäevaelus. Näiteks on kiired arvutikiibid valmistatud pooljuhtidest. Telefonid, meditsiinivarustus ja robootika kasutavad ka pooljuhtmaterjale.